El almacenamiento de energía por aire comprimido (CAES) es una forma de almacenar energía para su uso posterior mediante aire comprimido . A escala de servicios públicos , la energía generada durante períodos de baja demanda puede liberarse durante los períodos de carga máxima . [1]
El primer proyecto CAES a escala de servicios públicos se construyó en Huntorf, Alemania, y todavía está operativo. [2] La planta de Huntorf se desarrolló inicialmente como un equilibrador de carga para la electricidad generada con combustibles fósiles , el cambio global hacia la energía renovable renovó el interés en los sistemas CAES, [3] para ayudar a fuentes de energía altamente intermitentes como la fotovoltaica y la eólica a satisfacer las demandas de electricidad fluctuantes. [3]
Un desafío constante en el diseño a gran escala es la gestión de la energía térmica, ya que la compresión del aire provoca un aumento de temperatura no deseado que no sólo reduce la eficiencia operativa sino que también puede provocar daños. La principal diferencia entre varias arquitecturas radica en la ingeniería térmica. Por otro lado, los sistemas de pequeña escala se utilizan desde hace mucho tiempo como propulsión de locomotoras mineras . A diferencia de las baterías tradicionales, los sistemas pueden almacenar energía durante períodos de tiempo más largos y requieren menos mantenimiento.
La compresión del aire genera calor; el aire está más caliente después de la compresión. La expansión elimina el calor. Si no se agrega calor adicional, el aire estará mucho más frío después de la expansión. Si el calor generado durante la compresión se puede almacenar y utilizar durante la expansión, la eficiencia del almacenamiento mejora considerablemente. [4] Hay varias formas en que un sistema CAES puede lidiar con el calor. El almacenamiento de aire puede ser adiabático , diabático, isotérmico o casi isotérmico.
El almacenamiento adiabático continúa almacenando la energía producida por la compresión y la devuelve al aire a medida que se expande para generar energía. Este es un tema de estudio en curso, y en 2015 no había plantas a gran escala. La eficiencia teórica del almacenamiento adiabático se acerca al 100 % con un aislamiento perfecto, pero en la práctica se espera que la eficiencia de ida y vuelta sea del 70 %. [5] El calor puede almacenarse en un sólido como el hormigón o la piedra, o en un fluido como el aceite caliente (hasta 300 °C) o soluciones de sales fundidas (600 °C). Almacenar el calor en agua caliente puede producir una eficiencia de alrededor del 65%. [6]
Se han propuesto lechos empacados como unidades de almacenamiento térmico para sistemas adiabáticos. Un estudio [7] simuló numéricamente un sistema adiabático de almacenamiento de energía de aire comprimido utilizando almacenamiento de energía térmica en lecho empaquetado . La eficiencia del sistema simulado en funcionamiento continuo se calculó entre 70,5% y 71%.
El almacenamiento diabático disipa gran parte del calor de la compresión con intercoolers (acercando así a la compresión isotérmica) a la atmósfera como residuo, esencialmente desperdiciando la energía utilizada para realizar el trabajo de compresión. Al sacarlo del almacenamiento, la temperatura de este aire comprimido es el único indicador de la cantidad de energía almacenada que permanece en este aire. En consecuencia, si la temperatura del aire es demasiado baja para el proceso de recuperación de energía , el aire debe recalentarse sustancialmente antes de la expansión en la turbina para alimentar un generador . Este recalentamiento se puede lograr con un quemador de gas natural para almacenamiento de uso general o con una masa metálica calentada. Como la recuperación suele ser más necesaria cuando las fuentes renovables están inactivas, el combustible debe quemarse para compensar el calor desperdiciado . Esto degrada la eficiencia del ciclo de almacenamiento-recuperación. Si bien este enfoque es relativamente simple, la quema de combustible aumenta el costo de la energía eléctrica recuperada y compromete los beneficios ecológicos asociados con la mayoría de las fuentes de energía renovables . Sin embargo, hasta ahora este es el único sistema que se ha implementado comercialmente.
La planta CAES de McIntosh, Alabama, requiere 2,5 MJ de electricidad y 1,2 MJ de valor calorífico inferior (LHV) de gas por cada MJ de producción de energía, lo que corresponde a una eficiencia de recuperación de energía de aproximadamente el 27 %. [8] Una planta de ciclo combinado 2x1 de General Electric 7FA , una de las plantas de gas natural más eficientes en operación, utiliza 1,85 MJ (LHV) de gas por MJ generado, [9] una eficiencia térmica del 54% .
Los enfoques de compresión y expansión isotérmica intentan mantener la temperatura de funcionamiento mediante un intercambio constante de calor con el medio ambiente. En un compresor alternativo, esto se puede lograr utilizando un pistón con aletas [10] y velocidades de ciclo bajas. [11] Los desafíos actuales en intercambiadores de calor efectivos significan que solo son prácticos para niveles de potencia bajos. La eficiencia teórica del almacenamiento de energía isotérmico se acerca al 100% para una perfecta transferencia de calor al medio ambiente. En la práctica, ninguno de estos ciclos termodinámicos perfectos se puede obtener, ya que algunas pérdidas de calor son inevitables, lo que conduce a un proceso casi isotérmico.
La compresión (y expansión) casi isotérmica es un proceso en el que un gas se comprime muy cerca de una gran masa térmica incompresible, como una estructura absorbente y liberadora de calor (HARS) o un rocío de agua. [12] Un HARS suele estar formado por una serie de aletas paralelas. A medida que se comprime el gas, el calor de la compresión se transfiere rápidamente a la masa térmica, por lo que la temperatura del gas se estabiliza. A continuación se utiliza un circuito de refrigeración externo para mantener la temperatura de la masa térmica. La eficiencia isotérmica (Z) [13] es una medida de dónde se encuentra el proceso entre un proceso adiabático e isotérmico. Si la eficiencia es 0%, entonces es totalmente adiabática; con una eficiencia del 100%, es totalmente isotérmico. Normalmente, con un proceso casi isotérmico, se puede esperar una eficiencia isotérmica del 90% al 95%.
Una implementación de CAES isotérmica utiliza pistones de alta, media y baja presión en serie. Cada etapa es seguida por una bomba venturi de chorro de aire que aspira aire ambiente a través de un intercambiador de calor aire-aire (o aire-agua de mar) entre cada etapa de expansión. Los primeros diseños de torpedos de aire comprimido utilizaban un enfoque similar, sustituyendo aire por agua de mar. El venturi calienta el escape de la etapa anterior y admite este aire precalentado a la etapa siguiente. Este enfoque fue ampliamente adoptado en varios vehículos de aire comprimido, como las locomotoras mineras de HK Porter, Inc. [14] y los tranvías. [15] Aquí el calor de compresión se almacena efectivamente en la atmósfera (o el mar) y regresa más tarde. [ cita necesaria ]
La compresión se puede realizar con turbocompresores accionados eléctricamente y la expansión con turboexpansores [16] o motores de aire que accionan generadores eléctricos para producir electricidad.
Los recipientes de almacenamiento de aire varían según las condiciones termodinámicas del almacenamiento y la tecnología utilizada:
Este sistema de almacenamiento utiliza una cámara con límites específicos para almacenar grandes cantidades de aire. Esto significa desde un punto de vista termodinámico que este sistema es un sistema de volumen constante y presión variable. Esto causa algunos problemas operativos para los compresores y turbinas, por lo que las variaciones de presión deben mantenerse por debajo de un cierto límite al igual que las tensiones inducidas en los recipientes de almacenamiento. [17]
El recipiente de almacenamiento es a menudo una caverna creada mediante minería en solución (la sal se disuelve en agua para su extracción) [18] o mediante la utilización de una mina abandonada ; También se ha estudiado el uso de formaciones rocosas porosas y permeables (rocas que tienen agujeros interconectados, a través de los cuales puede pasar líquido o aire), como aquellas en las que se encuentran yacimientos de gas natural. [19]
En algunos casos, se probó una tubería aérea como sistema de almacenamiento, dando buenos resultados. Obviamente, el coste del sistema es mayor, pero puede colocarse donde elija el diseñador, mientras que un sistema subterráneo necesita algunas formaciones geológicas particulares (domos de sal, acuíferos, campos de gas agotados, etc.). [17]
En este caso, el recipiente de almacenamiento se mantiene a presión constante, mientras que el gas está contenido en un recipiente de volumen variable. Se han propuesto muchos tipos de recipientes de almacenamiento, que generalmente dependen del desplazamiento de líquido para lograr una operación isobárica. En tales casos, las condiciones de funcionamiento siguen el principio: el recipiente de almacenamiento está ubicado a cientos de metros bajo el nivel del suelo y la presión hidrostática (altura) de la columna de agua sobre el recipiente de almacenamiento mantiene la presión en el nivel deseado.
Esta configuración permite:
Por otro lado, el coste de este sistema de almacenamiento es mayor debido a la necesidad de colocar el recipiente de almacenamiento en el fondo del depósito de agua elegido (a menudo el mar o el océano) y al coste del propio recipiente. [21]
Un método diferente consiste en enterrar una gran bolsa bajo varios metros de arena en lugar de agua. [22]
Las plantas operan en un ciclo diario de reducción de picos , cargándose por la noche y descargando durante el día. El Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico ha estudiado el calentamiento del aire comprimido utilizando gas natural o calor geotérmico para aumentar la cantidad de energía extraída . [19]
El almacenamiento de energía por aire comprimido también se puede emplear a menor escala, como el que utilizan los automóviles aéreos y las locomotoras impulsadas por aire , y puede utilizar tanques de almacenamiento de aire de alta resistencia (por ejemplo, de fibra de carbono ). Para retener la energía almacenada en el aire comprimido, este tanque debe estar aislado térmicamente del ambiente; de lo contrario, la energía almacenada escapará en forma de calor, porque al comprimir el aire se eleva su temperatura.
Desde 1870 se han construido sistemas de energía de aire comprimido en toda la ciudad. [23] Ciudades como París ; Birmingham , Inglaterra; Dresde , Rixdorf y Offenbach , Alemania; y Buenos Aires , instalaron dichos sistemas. Victor Popp construyó los primeros sistemas para alimentar relojes enviando un pulso de aire cada minuto para cambiar sus brazos punteros. Rápidamente evolucionaron para suministrar energía a hogares e industrias. [24] A partir de 1896, el sistema de París contaba con 2,2 MW de generación distribuidos a 550 kPa en 50 km de tuberías de aire para motores en la industria ligera y pesada. El uso se midió en metros cúbicos. [23] Los sistemas eran la principal fuente de energía doméstica en aquellos días y también alimentaban las máquinas de dentistas , costureras , imprentas y panaderías .
El primer proyecto de almacenamiento de energía de aire comprimido diabático a escala comercial fue la planta Huntorf de 290 megavatios inaugurada en 1978 en Alemania utilizando una cúpula de sal con 580 MWh de energía y una eficiencia del 42 %. [25]
En McIntosh, Alabama (1991), se construyó una planta de 110 megavatios con una capacidad de 26 horas (2.860 MWh de energía). El costo de 65 millones de dólares de la instalación de Alabama equivale a 590 dólares por kW de capacidad y aproximadamente 23 dólares por kW-hora de capacidad de almacenamiento. Utiliza una caverna de sal extraída en solución de 19 millones de pies cúbicos para almacenar aire a hasta 1100 psi. Aunque la fase de compresión tiene aproximadamente un 82% de eficiencia, la fase de expansión requiere la combustión de gas natural a un tercio de la velocidad de una turbina de gas que produce la misma cantidad de electricidad con una eficiencia del 54%. [25] [26] [27] [28]
El Departamento de Energía de EE.UU. otorgó 24,9 millones de dólares en fondos de contrapartida para la primera fase de una instalación de 300 MW y 356 millones de dólares de Pacific Gas and Electric Company que utiliza una formación de roca salina porosa que se está desarrollando cerca de Bakersfield en el condado de Kern, California. Los objetivos del proyecto eran construir y validar un diseño avanzado (2009). [29]
El Departamento de Energía de Estados Unidos proporcionó 29,4 millones de dólares en financiación para realizar trabajos preliminares en un proyecto a base de sal de 150 MW que está desarrollando Iberdrola USA en Watkins Glen, Nueva York. El objetivo es incorporar tecnología de redes inteligentes para equilibrar las fuentes de energía renovables intermitentes (2010). [29] [30]
General Compression completó la construcción de un proyecto casi isotérmico de 2 MW en el condado de Gaines, Texas ; El tercer proyecto del mundo (2012). El proyecto no utiliza combustible. [31] Parece haber dejado de funcionar en 2016. [32]
Se planeó construir el primer proyecto adiabático , una instalación de 200 megavatios llamada ADELE, en Alemania (2013) con un objetivo de eficiencia del 70% mediante el uso de aire a 600 °C (1112 °F) a 100 bar de presión. [33] Este proyecto se retrasó por razones no reveladas hasta al menos 2016. [34]
Storelectric Ltd planeó construir una planta piloto de energía 100% renovable de 40 MW en Cheshire, Reino Unido, con una capacidad de almacenamiento de 800 MWh (2017). [35]
Hydrostor completó el primer sistema comercial A-CAES en Goderich, Ontario, suministrando servicio con almacenamiento de 2,2 MW/10 MWh a Ontario Grid (2019). Fue el primer sistema A-CAES en lograr operación comercial en décadas. [36]
El proyecto RICAS (adiabático) en Austria, financiado por la Unión Europea, pretendía utilizar roca triturada para almacenar el calor del proceso de compresión para mejorar la eficiencia (2020). Se esperaba que el sistema alcanzara una eficiencia del 70 al 80%. [37]
Apex planeó una planta para el condado de Anderson, Texas , que entraría en funcionamiento en 2016. [38] Este proyecto se ha retrasado hasta al menos 2020. [39]
La empresa canadiense Hydrostor tenía previsto construir cuatro plantas Advance en Toronto, Goderich, Angas y Rosamond (2020). Algunos incluyeron almacenamiento parcial de calor en agua, lo que mejoró la eficiencia al 65%. [40]
Se inauguró una instalación de 60 MW / 300 MWh con una eficiencia del 60 % en Jiangsu , China, utilizando una caverna de sal (2022). [41]
Una instalación de CO 2 comprimido de 2,5 MW / 4 MWh entró en funcionamiento en Cerdeña , Italia (2022). [42]
A partir de 2022, se planeó que el proyecto Gem en Rosamond en el condado de Kern, California , proporcionara 500 MW / 4000 MWh de almacenamiento. El proyecto Pecho en San Luis Obispo, California , estaba previsto en 400 MW/3200 MWh. El proyecto Broken Hill en Nueva Gales del Sur , Australia, fue de 200 MW/1.600 MWh. [43]
En 2022, Zhangjiakou conectó el primer sistema "avanzado" de 100 MW del mundo a la red en el norte de China. No utiliza combustibles fósiles , sino que adopta tecnologías de almacenamiento térmico supercrítico, intercambio de calor supercrítico, compresión de alta carga y expansión. La planta puede almacenar 400 MWh, con una eficiencia del 70,4%. [44] Se inició la construcción de un proyecto de 350 MW / 1,4 GWh en Shangdong. [45]
En 2023, Alliant Energy anunció planes para construir una instalación de CO 2 comprimido de 200 MWh basada en la instalación de Sardinia en el condado de Columbia, Wisconsin . Será el primero de su tipo en Estados Unidos. [46]
Para lograr un proceso casi termodinámicamente reversible de modo que la mayor parte de la energía se ahorre en el sistema y pueda recuperarse, y las pérdidas se mantengan insignificantes, se desea un proceso isotérmico casi reversible o un proceso isentrópico . [4]
En un proceso de compresión isotérmica , el gas del sistema se mantiene a una temperatura constante en todo momento. Esto requiere necesariamente un intercambio de calor con el gas; de lo contrario, la temperatura aumentaría durante la carga y bajaría durante la descarga. Este intercambio de calor se puede lograr mediante intercambiadores de calor (interenfriamiento) entre etapas posteriores en el compresor, el regulador y el tanque. Para evitar el desperdicio de energía, los intercoolers deben optimizarse para una alta transferencia de calor y una baja caída de presión. Los compresores más pequeños pueden aproximarse a la compresión isotérmica incluso sin interenfriamiento, debido a la relación relativamente alta entre el área de superficie y el volumen de la cámara de compresión y la mejora resultante en la disipación de calor del propio cuerpo del compresor.
Cuando se obtiene un almacenamiento (y descarga) isotérmico perfecto, se dice que el proceso es "reversible". Esto requiere que la transferencia de calor entre el entorno y el gas se produzca en una diferencia de temperatura infinitamente pequeña. En ese caso, no hay pérdida de exergía en el proceso de transferencia de calor, por lo que el trabajo de compresión se puede recuperar completamente como trabajo de expansión: 100% de eficiencia de almacenamiento. Sin embargo, en la práctica, siempre hay una diferencia de temperatura en cualquier proceso de transferencia de calor, por lo que todo almacenamiento de energía práctico obtiene eficiencias inferiores al 100%.
Para estimar el trabajo de compresión/expansión en un proceso isotérmico, se puede suponer que el aire comprimido obedece a la ley de los gases ideales :
De un proceso desde un estado inicial A a un estado final B , con temperatura absoluta constante, se encuentra que el trabajo requerido para la compresión (negativa) o realizado por la expansión (positiva), es
dónde , y así .
Aquí está la presión absoluta , es el volumen (desconocido) de gas comprimido, es el volumen del recipiente, es la cantidad de sustancia del gas (mol) y es la constante del gas ideal .
Si hay una presión constante fuera del recipiente, que es igual a la presión inicial , el trabajo positivo de la presión exterior reduce la energía explotable (valor negativo). Esto agrega un término a la ecuación anterior:
¿Cuánta energía se puede almacenar en un recipiente de almacenamiento de 1 m 3 a una presión de 70 bares (7,0 MPa), si la presión ambiente es de 1 bar (0,10 MPa)? En este caso, el trabajo del proceso es
El signo negativo significa que el entorno realiza trabajo sobre el gas. Las irreversibilidades del proceso (como en la transferencia de calor) darán como resultado que se recupere menos energía del proceso de expansión que la requerida para el proceso de compresión. Si el ambiente está a una temperatura constante, por ejemplo, la resistencia térmica en los intercoolers hará que la compresión se produzca a una temperatura algo superior a la temperatura ambiente, y la expansión se producirá a una temperatura algo inferior a la temperatura ambiente. Por lo tanto, es imposible lograr un sistema de almacenamiento isotérmico perfecto.
Un proceso adiabático es aquel en el que no hay transferencia de calor entre el fluido y el entorno: el sistema está aislado contra la transferencia de calor. Si el proceso además es internamente reversible (sin fricción, hasta el límite ideal), entonces también será isentrópico .
Un sistema de almacenamiento adiabático elimina el enfriamiento intermedio durante el proceso de compresión y simplemente permite que el gas se caliente durante la compresión y también se enfríe durante la expansión. Esto es atractivo porque se evitan las pérdidas de energía asociadas con la transferencia de calor, pero la desventaja es que el recipiente de almacenamiento debe estar aislado contra la pérdida de calor. También cabe mencionar que los compresores y turbinas reales no son isentrópicos, sino que tienen una eficiencia isentrópica de alrededor del 85%. El resultado es que la eficiencia del almacenamiento de ida y vuelta para los sistemas adiabáticos también es considerablemente menos que perfecta.
Los sistemas de almacenamiento de energía suelen utilizar grandes cavernas. Este es el diseño de sistema preferido debido al gran volumen y, por tanto, a la gran cantidad de energía que se puede almacenar con sólo un pequeño cambio de presión. El gas se comprime adiabáticamente con poco cambio de temperatura (acercándose a un sistema isotérmico reversible) y pérdida de calor (acercándose a un sistema isentrópico). Esta ventaja se suma al bajo costo de construir el sistema de almacenamiento de gas, utilizando las paredes subterráneas para ayudar a contener la presión. El espacio de la caverna se puede aislar para mejorar la eficiencia. [ cita necesaria ]
Se han sugerido bolsas de aire submarinas con aislamiento que tienen propiedades termodinámicas similares a las del almacenamiento en grandes cavernas. [47]
Para poder utilizar el almacenamiento de aire en vehículos o aviones para el transporte práctico por tierra o aire, el sistema de almacenamiento de energía debe ser compacto y ligero. La densidad de energía y la energía específica son los términos de ingeniería que definen estas cualidades deseadas.
Como se explica en la sección anterior de termodinámica de almacenamiento de gas, comprimir el aire lo calienta y expandirlo lo enfría. Por lo tanto, los motores neumáticos prácticos requieren intercambiadores de calor para evitar temperaturas excesivamente altas o bajas, y aun así no alcanzan condiciones ideales de temperatura constante o aislamiento térmico ideal.
Sin embargo, como se indicó anteriormente, es útil describir la energía máxima almacenable usando el caso isotérmico, que equivale a aproximadamente 100 kJ/m 3 [ln( P A / P B )].
Así, si se comprime muy lentamente 1,0 m 3 de aire de la atmósfera en una botella de 5 L a 20 MPa (200 bar), la energía potencial almacenada es 530 kJ. Un motor neumático altamente eficiente puede convertir esto en energía cinética si funciona muy lentamente y logra expandir el aire desde su presión inicial de 20 MPa hasta 100 kPa (botella completamente "vacía" a presión atmosférica). Lograr una alta eficiencia es un desafío técnico debido tanto a la pérdida de calor al ambiente como al calor interno irrecuperable del gas. [48] Si la botella anterior se vacía a 1 MPa, la energía extraíble es de aproximadamente 300 kJ en el eje del motor.
Una botella de acero estándar de 20 MPa y 5 L tiene una masa de 7,5 kg, una superior de 5 kg. Las fibras de alta resistencia a la tracción, como la fibra de carbono o el Kevlar , pueden pesar menos de 2 kg en este tamaño, de acuerdo con los códigos de seguridad legales. Un metro cúbico de aire a 20 °C tiene una masa de 1,204 kg a temperatura y presión estándar . [49] Por lo tanto, las energías específicas teóricas van desde aproximadamente 70 kJ/kg en el eje del motor para una botella de acero simple hasta 180 kJ/kg para una botella avanzada de fibra enrollada, mientras que las energías específicas prácticas alcanzables para los mismos contenedores serían de 40 a 100 kJ/kg.
Como ocurre con la mayoría de las tecnologías, el aire comprimido presenta problemas de seguridad, principalmente roturas catastróficas del tanque. Las normas de seguridad hacen que esto sea poco común a costa de un mayor peso y características de seguridad adicionales, como válvulas de alivio de presión. Las regulaciones pueden limitar la presión de trabajo legal a menos del 40% de la presión de ruptura para botellas de acero ( factor de seguridad de 2,5) y a menos del 20% para botellas enrolladas en fibra ( factor de seguridad de 5). Los diseños comerciales adoptan la norma ISO 11439 . [50] Las botellas de alta presión son bastante fuertes, por lo que generalmente no se rompen en accidentes automovilísticos.
Las botellas avanzadas reforzadas con fibra son comparables a las baterías recargables de plomo-ácido en términos de densidad de energía. Las baterías proporcionan un voltaje casi constante durante todo su nivel de carga, mientras que la presión varía mucho cuando se usa un recipiente a presión, desde lleno hasta vacío. Es técnicamente un desafío diseñar motores neumáticos para mantener una alta eficiencia y potencia suficiente en una amplia gama de presiones. El aire comprimido puede transferir energía a tasas de flujo muy altas, lo que cumple con los principales objetivos de aceleración y desaceleración de los sistemas de transporte, particularmente para los vehículos híbridos .
Los sistemas de aire comprimido tienen ventajas sobre las baterías convencionales, incluida una vida útil más larga de los recipientes a presión y una menor toxicidad del material. Los diseños de baterías más nuevos, como los basados en la química del fosfato de hierro y litio, no padecen ninguno de estos problemas. Los costos del aire comprimido son potencialmente más bajos; sin embargo, el desarrollo de recipientes a presión avanzados y las pruebas de seguridad son costosos y en la actualidad son más costosos que las baterías producidas en masa.
Al igual que ocurre con la tecnología de almacenamiento eléctrico, el aire comprimido es tan "limpio" como la fuente de energía que almacena. La evaluación del ciclo de vida aborda la cuestión de las emisiones globales de una tecnología de almacenamiento de energía determinada combinada con una combinación determinada de generación en una red eléctrica.
Un motor neumático o motor de aire comprimido utiliza la expansión del aire comprimido para impulsar los pistones de un motor, girar el eje o impulsar una turbina .
Los siguientes métodos pueden aumentar la eficiencia:
Una disposición altamente eficiente utiliza pistones de alta, media y baja presión en serie, con cada etapa seguida por un venturi de chorro de aire que aspira aire ambiente a través de un intercambiador de calor aire-aire . Esto calienta el escape de la etapa anterior y admite este aire precalentado a la etapa siguiente. El único gas de escape de cada etapa es aire frío, que puede llegar a -15 °C (5 °F); el aire frío se puede utilizar para el aire acondicionado de un coche. [15]
Se puede suministrar calor adicional quemando combustible, como en 1904 con el torpedo Whitehead . [51] Esto mejora el alcance y la velocidad disponibles para un volumen de tanque determinado a costa del combustible adicional.
Desde aproximadamente 1990, varias empresas han afirmado estar desarrollando automóviles de aire comprimido, pero no hay ninguno disponible. Normalmente, las principales ventajas reivindicadas son: ausencia de contaminación en las carreteras, bajo coste, uso de aceite de cocina para lubricación y aire acondicionado integrado.
El tiempo necesario para rellenar un tanque agotado es importante para aplicaciones en vehículos. La "transferencia de volumen" mueve el aire precomprimido desde un tanque estacionario al tanque del vehículo casi instantáneamente. Alternativamente, un compresor estacionario o a bordo puede comprimir aire según sea necesario, lo que posiblemente requiera varias horas.
Los grandes motores diésel marinos se arrancan utilizando aire comprimido, normalmente almacenado en botellas grandes de entre 20 y 30 bar, que actúa directamente sobre los pistones a través de válvulas de arranque especiales para hacer girar el cigüeñal antes de comenzar la inyección de combustible. Esta disposición es más compacta y más barata que lo que sería un motor de arranque eléctrico a tales escalas y capaz de suministrar la ráfaga necesaria de potencia extremadamente alta sin colocar una carga prohibitiva en los generadores eléctricos y el sistema de distribución del barco. El aire comprimido también se usa comúnmente, a presiones más bajas, para controlar el motor y actuar como fuerza del resorte que actúa sobre las válvulas de escape de los cilindros, y para operar otros sistemas auxiliares y herramientas eléctricas a bordo, que a veces incluyen controladores neumáticos PID . Una ventaja de este enfoque es que, en caso de un apagón eléctrico, los sistemas del barco alimentados por aire comprimido almacenado pueden seguir funcionando ininterrumpidamente y los generadores pueden reiniciarse sin suministro eléctrico. Otra es que las herramientas neumáticas se pueden utilizar en entornos comúnmente húmedos sin riesgo de descarga eléctrica.
Si bien el sistema de almacenamiento de aire ofrece una densidad de potencia y una autonomía de vehículo relativamente bajas, su alta eficiencia resulta atractiva para vehículos híbridos que utilizan un motor de combustión interna convencional como principal fuente de energía. El almacenamiento de aire se puede utilizar para el frenado regenerativo y para optimizar el ciclo del motor de pistón, que no es igualmente eficiente en todos los niveles de potencia/RPM.
Bosch y PSA Peugeot Citroën han desarrollado un sistema híbrido que utiliza la hidráulica como forma de transferir energía hacia y desde un tanque de nitrógeno comprimido. Se afirma una reducción de hasta el 45% en el consumo de combustible, lo que corresponde a 2,9 l/100 km (81 mpg, 69 g CO 2 /km) en el Nuevo Ciclo de Conducción Europeo (NEDC) para un chasis compacto como el Peugeot 208 . Se afirma que el sistema es mucho más asequible que los sistemas KERS eléctricos y de volante de inercia de la competencia y se espera que esté presente en los vehículos de carretera en 2016. [52]
Los motores de aire se han utilizado desde el siglo XIX para impulsar locomotoras , bombas, perforadoras y tranvías de minas , a través de una distribución centralizada a nivel de ciudad. Los coches de carreras utilizan aire comprimido para arrancar su motor de combustión interna (ICE), y los motores diésel grandes pueden tener motores neumáticos de arranque .
Los motores de ciclo Brayton comprimen y calientan el aire con un combustible apto para un motor de combustión interna . Por ejemplo, el gas natural o el biogás calientan el aire comprimido y luego un motor de turbina de gas convencional o la parte trasera de un motor a reacción lo expande para producir trabajo.
Los motores de aire comprimido pueden recargar una batería eléctrica . La aparentemente desaparecida Energine promocionó su sistema Pne-PHEV o vehículo eléctrico híbrido enchufable neumático. [ cita necesaria ] [53]
Huntorf, Alemania en 1978, y McIntosh, Alabama , EE.UU., en 1991 pusieron en funcionamiento plantas de energía híbridas. [16] [54] Ambos sistemas utilizan energía fuera de las horas pico para comprimir el aire y queman gas natural en el aire comprimido durante la fase de generación de energía.
El Iowa Stored Energy Park (ISEP) utilizará almacenamiento acuífero en lugar de almacenamiento en cavernas. El desplazamiento de agua en el acuífero da como resultado la regulación de la presión del aire por la presión hidrostática constante del agua. Un portavoz de ISEP afirma que "puede optimizar su equipo para una mayor eficiencia si tiene una presión constante". [54] La potencia de salida de los sistemas McIntosh e Iowa está en el rango de 2 a 300 MW.
Se están desarrollando instalaciones adicionales en Norton, Ohio . FirstEnergy , una empresa eléctrica de Akron, Ohio, obtuvo los derechos de desarrollo del proyecto Norton de 2.700 MW en noviembre de 2009. [55]
El proyecto RICAS2020 intenta utilizar una mina abandonada para CAES adiabático con recuperación de calor. El calor de compresión se almacena en una sección de túnel llena de piedras sueltas, por lo que el aire comprimido está casi frío cuando ingresa a la cámara principal de almacenamiento de presión. El aire comprimido frío recupera el calor almacenado en las piedras cuando se libera a través de una turbina de superficie, lo que genera una mayor eficiencia general. [56] [57] Un proceso de dos etapas tiene una eficiencia teórica mayor de alrededor del 70%. [58]
Las aguas profundas de los lagos y del océano pueden proporcionar presión sin necesidad de recipientes de alta presión ni perforaciones en cavernas de sal o acuíferos. [59] El aire entra en contenedores flexibles y económicos, como bolsas de plástico, en lagos profundos o en costas marinas con desniveles pronunciados. Los obstáculos incluyen el número limitado de ubicaciones adecuadas y la necesidad de tuberías de alta presión entre la superficie y los contenedores. Dado que los contenedores serían muy económicos, la necesidad de una gran presión (y una gran profundidad) puede no ser tan importante. Un beneficio clave de los sistemas construidos sobre este concepto es que las presiones de carga y descarga son una función constante de la profundidad. De este modo se pueden reducir las ineficiencias de Carnot en la central eléctrica. La eficiencia de Carnot se puede aumentar mediante el uso de múltiples etapas de carga y descarga y el uso de fuentes de calor y sumideros económicos, como agua fría de ríos o agua caliente de estanques solares . Idealmente, el sistema debe ser muy inteligente; por ejemplo, enfriando el aire antes de bombearlo en los días de verano. [60]
Es posible una solución casi isobárica si el gas comprimido se utiliza para impulsar un sistema hidroeléctrico. Sin embargo, esta solución requiere grandes tanques de presión ubicados en tierra (así como bolsas de aire subacuáticas). Además, el gas hidrógeno es el fluido preferido ya que otros gases sufren presiones hidrostáticas sustanciales incluso a profundidades relativamente modestas (como 500 metros).
La empresa europea de servicios eléctricos E.ON ha aportado 1,4 millones de euros (1,1 millones de libras esterlinas) en financiación para desarrollar bolsas de almacenamiento de aire submarinas. [61] [62] Hydrostor en Canadá está desarrollando un sistema comercial de "acumuladores" de almacenamiento submarino para almacenamiento de energía de aire comprimido, comenzando en la escala de 1 a 4 MW. [63]
Existe un plan para algún tipo de almacenamiento de energía de aire comprimido en cuevas submarinas en Irlanda del Norte. [64]
Se están desarrollando varios métodos de compresión casi isotérmica. La mecánica de fluidos tiene un sistema con una estructura de absorción y liberación de calor (HARS) unida a un pistón alternativo. [65] Light Sail inyecta un rocío de agua en un cilindro alternativo. [ cita necesaria ] SustainX utiliza una mezcla de espuma de aire y agua dentro de un compresor/expansor semipersonalizado de 120 rpm. [66] Todos estos sistemas garantizan que el aire se comprima con una alta difusividad térmica en comparación con la velocidad de compresión. Normalmente, estos compresores pueden funcionar a velocidades de hasta 1000 rpm. Para garantizar una alta difusividad térmica, la distancia promedio entre una molécula de gas y una superficie absorbente de calor es de aproximadamente 0,5 mm. Estos compresores casi isotérmicos también se pueden utilizar como expansores casi isotérmicos y se están desarrollando para mejorar la eficiencia de ida y vuelta de CAES.
The RWE/GE Led Consortium That Is Developing an Adiabatic Form of Compressed Air Energy Storage Is to Establish Its Commercial Scale Test Plant at Stassfurt. the Testing Stage, Originally Slated for 2073, Is Not Now Expected to Start before 2016
